本发明属于空间遥感器光学元件精密调整领域，提供了一种旋转微调装置。
背景技术：
随着空间遥感器的成像质量不断提高，对遥感器光学元件之间的角度和位置关系的要求也越来越高，从而光学元件的调整精度也必须相应地提高。光学镜头是空间遥感器保证成像质量的核心组成部件。由于遥感器在发射过程中需要经受强烈的振动，在轨状态下也要承受恶劣的空间环境；所以，空间遥感器中，多个光学元件之间的相对位置经常会发生变化，有可能会严重影响成像质量。因此，需要在入轨以后对光学元件之间的相对位置进行精密调整。
传统的解决方法是设置调节机构调节光学元件之间的相对位置，但是传统的调节机构需要包括电机、传动机构、反馈元件等，系统组成比较复杂，降低了可靠性。另外一方面，由于传动机构不可避免的存在一定的间隙，难以实现角秒级的高精度微调。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于热变形驱动的高精度微调装置，可以实现支撑结构和调整装置一体化设计，可以实现随着温度的变化，仅发生纯旋转。
本发明所采用的技术方案是：一种基于热变形驱动的旋转微调装置，包括：上安装板、下安装板和若干个弯折支撑杆；上安装板位于下安装板上方，通过沿上安装板圆周均匀布置的弯折支撑杆与下安装板相连；弯折支撑杆包括竖直段、倾斜段、热变形驱动块，竖直段和倾斜段连接位置处设置有应力卸载槽，竖直段与上安装板连接，倾斜段与下安装板连接；竖直段与上安装板垂直，倾斜段在上安装板端面内的投影与上安装板的外边缘相切；热变形驱动块固定在弯折支撑杆的倾斜段上。
所述上安装板为环形结构，竖直段与上安装板的连接点沿上安装板外边缘分布。
所述下安装板为环形结构，倾斜段与下安装板的连接点沿下安装板外边缘分布。
所述热变形驱动块安装在各倾斜段的上表面，为长条形结构，热变形驱动块的热膨胀系数为弯折支撑杆的热膨胀系数的倍以上。
所述各弯折支撑杆在上安装板、下安装板之间安装后，从俯视角度看，各倾斜段在上安装板端面内的投影沿同一方向依次旋转排列。
所述倾斜段与热变形驱动块等长且等宽；倾斜段和热变形驱动块的初始长度l、竖直段的高度h、倾斜段的厚度a1、热变形驱动块的厚度a2、倾斜段和热变形驱动块的宽度w、倾斜段与下安装板的夹角φ满足如下公式：
d1cosφ＝d2sinφ+δh；
其中，d1为竖直段与倾斜段连接点在垂直倾斜段初始方向的位移；
d2为竖直段与倾斜段连接点在倾斜段轴向的位移；
竖直段的长度变化量δh＝α1h(t-t0)；
热变形引起倾斜段弯曲后，倾斜段的曲率半径ρ满足：
厚度比值
e1为弯折支撑杆材料的弹性模量；e2为热变形驱动块材料的弹性模量；α1为弯折支撑杆材料的热膨胀系数；α2为热变形驱动块材料的热膨胀系数；t0为初始温度；t为工作温度；
热变形引起倾斜段弯曲后，倾斜段形成的圆弧跨过的角度
倾斜段和热变形驱动块的伸长
倾斜段的截面惯性矩
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明基于温度变形实现驱动，通过控制工作环境温度或者热变形驱动块的局部温度进行工作，不需要电机、轴承和传动机构，大大简化了系统的复杂程度，提高了可靠性，且具有较高的精度。
(2)本发明的上安装板用于安装光学元件，所以旋转微调装置本身就是光学元件的支撑结构，实现了支撑结构和旋转微调装置一体化设计。
(3)本发明采用弯折支撑杆圆周均布，且倾斜段在上安装板内的投影与上安装板的外边缘相切的构型形式。通过对倾斜段的倾斜角度、倾斜段的长度、热变形驱动块与倾斜段的厚度比等参数的优化设计，可以使得上安装板和下安装板之间随着控制温度的变化产生纯旋转，从而与其他方向的自由度解耦。
附图说明
图1为本发明的旋转微调装置结构；
图2为本发明的旋转微调装置倾斜支撑杆布局示意；
图3为本发明的单支撑杆热变形分析示意图；
具体实施方式
本发明的旋转微调装置结构如图1所示，一种基于热变形驱动的旋转微调装置，包括上安装板1、下安装板2、一组弯折支撑杆3和热变形驱动块7。上安装板1和下安装板2通过一组弯折支撑杆3进行连接，弯折支撑杆3沿圆周均匀布置。上安装板1用于安装和固定光学元件，下安装板2为旋转微调装置的安装面。弯折支撑杆3包括两段，分别为竖直段4和倾斜段5、热变形驱动块7，竖直段4和倾斜段5连接位置处设计应力卸载槽6，用于减小两段之间的弯曲刚度。弯折支撑杆3的竖直段4与上安装板1连接，弯折支撑杆3的倾斜段5与下安装板2连接。竖直段4与上安装板1垂直，倾斜段5在上安装板1端面内的投影与上安装板1的外边缘相切，如图2所示。上安装板1为环形结构，竖直段4与上安装板1的连接点沿上安装板1外边缘分布。下安装板2为环形结构，倾斜段5与下安装板2的连接点沿下安装板2外边缘分布。各弯折支撑杆3在上安装板1、下安装板2之间安装后，从俯视角度看，各倾斜段5在上安装板1端面内的投影沿同一方向依次旋转排列。
在弯折支撑杆3的倾斜段5上固定热变形驱动块7，热变形驱动块7的热膨胀系数需要显著大于弯折支撑杆3的热膨胀系数；热变形驱动块7安装在各倾斜段5的上表面，为长条形结构，热变形驱动块7的热膨胀系数为弯折支撑杆3的热膨胀系数的2倍以上。例如，当弯折支撑杆3选用殷钢材料(热膨胀系数为2×10-6/℃)时，热变形驱动块7可选用钛合金(热膨胀系数为8×10-6/℃)或者铝合金材料(热膨胀系数为21×10-6/℃)。
微调装置的工作原理：由于热变形驱动块7的热膨胀系数比倾斜支撑杆3的热膨胀系数大，所以，当环境温度升高/降低时，倾斜段5和热变形驱动块7均产生热变形，但是热变形驱动块7产生的变形量更大，使得倾斜段5伸长/缩短的同时发生弯曲。竖直段4和倾斜段5连接位置处设置了应力卸载槽6，用于减小两段之间的弯曲刚度，可以近似认为倾斜段5的弯曲不会引起竖直段4的弯曲，即竖直段4只随着倾斜段5发生竖直方向和水平方向的平移。由于倾斜段5在上安装板1端面内的投影与上安装板1的外边缘相切，所以竖直段4的水平位移方向即是安装面1外边缘的切向。当圆周均布的一组弯折支撑杆3共同发生热变形时，即可驱动上安装板1发生转动。现以环境温度升高的工况为例，对单个弯折支撑杆3的热变形进行分析，示意图如图3所示。
倾斜段5和热变形驱动块7组成一对双金属片结构，根据铁木辛科对双金属片热敏计的分析(s.timoshenko,analysisofbi-mentalthermostats,journaloftheopticalsocietyofamerica.vol.11,issue3,p233-255(1925))，在温度变化时，双金属片将会发生弯曲，曲率半径满足
其中
厚度比值
其中，ρ-热变形引起倾斜段5弯曲后，倾斜段5的曲率半径；e1-弯折支撑杆3材料的弹性模量；e2-热变形驱动块7材料的弹性模量；a1-倾斜段5的厚度；a2-热变形驱动块7的厚度；α1-弯折支撑杆3材料的热膨胀系数；α2-热变形驱动块7材料的热膨胀系数；t0-初始温度；t-工作温度；h-竖直段4的高度；
倾斜段5和热变形驱动块7的伸长量为
其中，
倾斜段5的截面惯性矩
δl-倾斜段5和热变形驱动块7的伸长量；w-倾斜段5和热变形驱动块7的宽度；l-倾斜段5和热变形驱动块7的初始长度；
圆弧跨过的角度为单位为弧度
其中，θ-圆弧跨过的角度；
竖直段4与倾斜段5连接点在垂直倾斜段5初始方向和倾斜段5轴向的位移分别为
竖直段4的长度变化量为
δh＝α1h(t-t0)
其中，δh-竖直段4的长度变化量；
竖直段4顶端在水平方向，即上安装板1外缘切向的位移为
s＝d1sinφ+d2cosφ(f)
其中，φ-倾斜段5与下安装板2的夹角；
沿圆周均匀布置的一组弯折支撑杆3均产生位移s，则可以驱动上安装板1产生绕中心轴的旋转角度
其中，r为上安装板1的外缘半径。
竖直段4顶端在竖直方向的位移为
δ＝d1cosφ-d2sinφ-δh(h)
其中，δ-弯折支撑杆3竖直方向的总变形量；
当d1cosφ＝d2sinφ+δh时，δ＝0，即可以实现纯旋转。
公式(a)～公式(h)给出了弯折支撑杆3和热变形驱动块7的材料和几何尺寸、上安装板1的半径、温度变化量等参数与上安装板1旋转角度以及竖直高度变化之间的关系。这组公式是对旋转微调装置工作原理的理论描述，也是旋转微调装置设计和优化的依据。
为了说明本发明的正确性和旋转调节精度，对一个实例进行了有限元建模分析。支撑主体选用航天常用的钛合金材料tc4r，热变形驱动块选用铝合金材料5a06。设初始温度为20℃，当热变形驱动块加热到21℃时，角度为0.0021°(约7.6″)；将热变形驱动块加热到60℃时，产生的旋转角度为0.084°，即调节精度为7.6″/℃，所以，控温精度越高，旋转精度也就越高。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。